卷煙廠電壓暫降分析與治理

楊 洋, 史貴風, 徐獻清

[上海電器科學研究所(集團)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

某卷煙廠經過技術改造升級后,特別是數字式自動控制技術在工業生產中的大規模應用,如變頻調速器、可編程邏輯控制器(PLC),各種自動化生產線及計算機系統等敏感性用電設備的大量使用,這些設備對電壓暫降和短時間中斷時間非常敏感,短時間的電壓變化往往會造成設備不正常運行。電壓暫降會造成計算機、數字式控制器停止工作或在電壓恢復時自啟動,從而引起由其控制的自動化生產線停止工作,甚至無序啟動,生產流水線一旦被迫停運,不但正在流水線上被加工的產品報廢,而且生產線需要啟動,從而造成至數小時不等的生產停頓[1-2]。據該廠運維方反應,電壓暫降對制絲車間的影響最為嚴重。該卷煙廠制絲車間工藝復雜,整個車間多組設備組成一條生產鏈,某一臺設備發生非計劃停機,都可能影響整條生產線的正常運行,所產煙絲就會報廢,每次損失高達上百萬元。

在實際生產中多次發生由電壓暫降或者中斷引起的非計劃停產停機后,現場維護人員無法判定電壓暫降發生的原因。由于工廠內部大型電機啟動、開關操作、變壓器以及電容器組投切等事件是由外部供電系統傳遞過來,因此在10 kV兩段進線端安裝具有瞬態時間捕捉能力的在線式電能質量監測儀,對該廠電能質量進行長期監測,捕捉電壓暫降事件的波形和特征量,比較發生暫降事件的時間與生產事故發生的時間。如果時間相吻合,基本上可以確定設備停機的原因是由外部電壓暫降引起,通過對這些電壓暫降事件進行統計分析,為后續的電壓暫降治理提供依據[3-4]。

1 電壓暫降監測位置概述

該廠10 kV系統采用單母線分段進線方式,根據該企業的供配電系統實際運行情況,本次電壓暫降監測依據GB/T 30137—2013《電能質量 電壓暫降與短時中斷》,電壓暫降事件記錄出發閾值為0.9 p.u.～0.1 p.u.,低于0.1 p.u.,事件記錄顯示為中斷。系統的監測點選擇分別位于10 kVⅠ段母線和Ⅱ段母線總進線端,系統10 kV總進線端監測點位置如圖1所示;系統10 kVⅠ和Ⅱ段母線監測點現場位置如圖2所示。

圖1 系統10 kV總進線端監測點位置

圖2 系統10 kVⅠ和Ⅱ段母線監測點現場位置

2 電壓暫降監測內容

2.1 電壓暫降監測事件統計

經過3個月的實時在線監測,監測到的電壓暫降事件統計如表1所示。

表1 監測到的電壓暫降監測事件統計

由表1可以看出,電壓暫降發生的時間集中在2020年8月,發生電壓暫降的相序單相、兩相和三相都存在,兩段母線基本上同時發生電壓暫降,發生暫降的相序也都相同,可以推測電壓暫降是由外網傳遞過來。

2.2 電壓暫降事件前后波形

單相、兩相、三相電壓暫降事件前后波形如圖3～圖5所示。

圖3 單相電壓暫降事件前后波形

圖4 兩相電壓暫降事件前后波形

圖5 三相電壓暫降事件前后波形

由圖4可見,B相電壓一直保持不變,A相、C相連續發生電壓暫降,其中暫降時間最長持續3 s。經過和卷煙廠運維人員確認,生產車間停機也發生在這段時間內,可以確定這是一起典型的兩相電壓暫降造成的設備停機事故。

3 電壓暫降治理方案及措施

3.1 卷煙廠供配電及負荷情況

該卷煙廠由市電二路10 kV高壓進線,低壓供配電系統采用單母分段接線方式,每臺主變壓器一用一備,整個廠區共5個區域,分別為動力車間、制絲車間、卷包車間、辦公室、南門。各主變壓器供電情況如表2所示。

表2 各主變壓器供配電情況

3.2 電壓暫降緩解措施

為了減少由電壓暫降造成用戶遭受不同程度的損失,需要供電部門、用戶和設備制造廠商共同努力,減少電壓暫降事件的次數,降低暫降的嚴重程度和設備對電壓暫降的敏感度。解決電壓暫降的途徑和成本的關系如圖6所示[2]。

圖6 解決電壓暫降的途徑和成本的關系

3.2.1 系統側緩解

該卷煙廠處于中心城區,周邊施工較多,電能質量情況惡劣,并且從該廠運維方了解到該廠供電系統上一級110/10 kV專線下端還有其他生產企業,因此通過電網結構的改造雖然可以降低電壓暫降帶來的影響,但是這類電壓質量的改善是通過增加更多的線路和設備達到的,考慮到投資和效益的權衡,目前在電網側緩解電壓暫降的方案不太現實。

3.2.2 用戶側治理

該廠的技術設備升級已經完成,對電壓暫降敏感的用電設備進行再次更換升級,也不具有實用性,所以目前應用最普遍的改善電壓暫降措施是在供電系統與用電設備的接口處安裝治理設備。常見電壓暫降治理設備主要分為以下幾種:靜態UPS、動態UPS、非儲能有源電壓調節器(AVC)、超級電容儲能動態電壓恢復器(DVR)、非儲能電壓驟降保護器(DYSC)等。這幾種治理設備各有優缺點,不同工況和負載下治理設備適用性如表3所示[4]。

表3 不同工況和負載下治理設備的適用性

在線式靜態UPS功能強大,是最為傳統的一種保護方式,但維護成本高、占地面積大、還需為其配置特殊的空調機房,耗電量大,所以是性價比較低的一種方案。動態UPS一般為飛輪中壓動態UPS,多用于中壓兆瓦級部署,單臺年維護成本高昂,一般應用在精密的半導體產業大規模全產線治理,出于成本和占地空間考慮,其他企業一般不會選擇該治理方案[5]。

采用先進電力電子技術的DVR和AVC在消除電壓暫降、提高供電質量和供電可靠性方面有著顯著的效果,作為一項成熟的技術廣泛應用于電壓暫降治理工程中。

DVR依靠外置的超級電容作為能量的主要來源,當供電電壓突變時,可以在幾個毫秒內產生一個與電網同步的三相交流電壓,該電壓與電網電壓相串聯,來補償故障電壓與正常電壓之差,從而使饋線電壓恢復到正常值及附近。DVR單機設備功率大小,除了元器件選型外,主要依托于超級電容的容量增大,一方面大功率設備勢必會導致超級電容數量變多,故障點變多,影響其瞬間放電的能力,另一方面也增加了投資成本[6]。

AVC沒有外置的儲能部分,通過電網電壓降低后的剩余能量進行補償,串聯注入變壓器實時疊加,可實現精度1%的實時精密調壓,在電網三相電壓60%～120%、單相電壓40%～130%之間可將輸出電壓一直穩定在100%。AVC可實現四象限調節,所以適用于各種類型負載,不受負載類型約束[7]。典型的DVR和AVC電壓暫降治理裝置拓撲結構如圖7所示。

圖7 典型的DVR和AVC電壓暫降治理裝置拓撲結構

該卷煙廠配電系統發生暫降時有以下幾個特點:電壓暫降深度大概率在50%以下,持續時間為1周波～150周波,每次發生電壓暫降時,停機的工藝設備都不同,不是固定設備停機;敏感負荷主要為電機類負載;重要的敏感負荷分別分布在不同的變壓器下,電壓等級為0.4 kV。

該項目中電壓暫降治理方案需要對單機功率300 kVA等大容量的設備進行部分治理,從穩定性、適用性和性價比角度考慮,治理方案選擇非儲能設備AVC最適合。

3.3 電壓暫降治理設備實驗室檢測

非儲能AVC進行電壓暫降治理設備型式試驗。依據電力行業標準DL/T 1229—2013《動態電壓恢復器技術規范》在實驗室進行檢測,主要性能測試項目包括空載電壓發生試驗、響應時間測試、自動補償試驗、額定補償時間測試、最小補償間隔時間測試等。電壓暫降治理裝置測試效果如圖8所示。

圖8 電壓暫降治理裝置測試效果

由圖8(a)～圖8(c)可見,當電網電壓分別發生單相、兩相和三相電壓暫降,電壓暫降深度為50%時,即由230 V跌落到115 V,設備的電壓暫降補償時間分別為1.32 ms、1.36 ms和1.36 ms,并且電壓暫降的補償度均大于90%;由圖8(d)可見,裝置的額定補償時間為3.96 s,當發生電壓暫降時設備可以快速響應,支撐饋線電壓,保證電壓在正常范圍內,為敏感負荷提供可靠電力保障。

4 結 語

本文對某卷煙廠電壓暫降情況進行長時監測,統計分析了整個測試期間電壓暫降事件特征,根據該卷煙廠實際情況,提出在用戶側治理電壓暫降的方案,比較各種電壓暫降設備的性能,確定采用非儲能AVC裝置,并結合實驗室對治理設備的測試,為后期該廠進行電壓暫降治理設備選型提供依據。